奇特的水形式，有助解釋天王星的混亂磁場

皇帝 | 2025-3-1 08:04:13

1樓

天王星及海王星最特別的地方是磁場，尤其是天王星，磁軸與自轉軸傾斜方向不同，其他行星找不到類似狀況，然而目前科學家也不完全清楚原因。

中國及俄羅斯的研究團隊可能發現新解釋，一種新陽離子水形式水合二陽離子（H4O2+），存在於這些冰冷世界的內部極高壓深處。是由一個普通的水分子和兩個質子組成，帶正電，如果數量夠多，推測可以產生天王星或海王星那樣的行星磁場。

地球磁場是由鐵鎳合金組成的地核旋轉、對流、導電，與發電機幾乎相同而產生；木星及土星的磁場，多數科學家認為是液態金屬氫的電子流動產生的了磁場，而這兩者的共同點在於，它們都有著相對整齊的磁場，而且沿著行星自轉軸旋轉，不會有太多的紊亂區。

然而天王星及海王星的磁極分別與自轉軸傾斜59°和47°，磁力線在不斷地變形和移動，因此一般認為磁場的來源可能並非來自行星核心的中心，而是被認為來自於離子導電介質的流動。瞭解特定離子的結構及比例可能有助於解釋為何這些冰巨行星的磁層與它們的自轉軸不對齊。

問題就在於是哪些離子？例如：銨根離子，但這比例或許較低，畢竟天王星及海王星的水分子比例極高，水是否在這過程中發揮了更大的作用呢？中國南開大學的研究團隊回顧了原子的化學軌域問題，混成軌域能夠以新的方式結合原子，從而形成不同的性質，這裡我們考慮的是sp3混成軌域。在sp3混成軌域中會形成一個四面體的排列方式，四面體的每一個點都有一個能與另一個原子成鍵的單一電子或是有不能與其它原子鍵結的電子對。

在一般條件下，有的時候質子會附著在水上，形成水合氫離子（H3O+），如果再加一個質子符合sp3混成軌域的形式也許能解釋類海行星的磁場，但在正常條件下，這種結構是非常不穩定且極耗能量的，然而，類海行星的內部似乎都符合需要的條件：極高壓以及大量存在的質子。

研究團隊針對類海行星的內部存在條件進行數值模擬，在大約3,000℃及150萬大氣壓力下，質子與水合氫離子（H3O+）會再結合形成水合二陽離子（H4O2+），這種水的獨特新形式對於整個化學也有影響，「對於傳統的物理和化學理論，如價殼層電子對互斥理論模型（VSEPR）、質子耦合電子轉移反應（PCET）和酸鹼質子理論（acid–base theory），是一個重要的補充」，該研究發表於《物理評論B》上。